DE2364015A1 - Verfahren zum herstellen von n-dotierten siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren dotierungsprofil - Google Patents
Verfahren zum herstellen von n-dotierten siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren dotierungsprofilInfo
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Description
SIEMENS AKiIElTGESELLSGHAI1T 8 München 2 21.DEZ. Ϊ973
Berlin und München Witteisbacherplatz 2
73/1253
Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristalle;
mit einem einstellbaren Dotierungsprofil.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren
radialen und/oder axialen Dotierungsprofil, bei dem von einem p-dotierten Siliciumeinkristall ausgegangen wird.
Die Dotierung von Siliciumkristallstäben erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Siliciummaterials aus der Gasphase
mittels thermischer und/oder pyrolytischer Zersetzung
einer gasförmigen Verbindung des Siliciums am erhitzten stabförmigen Trägerkörper des gleichen Materials» Dabei werden
Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Siliciums beigemischt und am !Drägerkörper mitzersetzt. Die so hergestellten
Siliciumkristallstäbe sind polykristallin und ,müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen
Zustand übergeführt werden. Dabei ändert sich die Dotierstoffkonzentration oft in unkontrollierbarer Weise. Es
können - vor allen Dingen bei η-dotierten Siliciumöinkristallstäben
- Dotierungsprofile in axialer und/oder auch radialer Richtung anfallen, die einem gewünschten Profil nur zum
Teil entsprechen. Die Breite und Tiefe von Widerstandseinbrüchen,
die diesen Dotierungsprofilen entsprechen, ist bislang nicht sicher kontrollierbare Außerdem können auch Neben-
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Edt/dd - 2 -
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einbrüche des spezifischen Widerstandes und überlagerte Schwankungen des spezifischen Widerstandes, sogenannte
"striations", welche auf stark wachstumsbedingte Dot-ierstoffkonzentrationsschwankungen
im Mikrobereich des Kristalls zurückzuführen sind, nicht sicher vermieden werdenο
Durch die Lehre der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, gezielte Widerstands ( @ )-Profile in axialer
und/oder radialer Richtung im Siliciumkristall herzustellen, wobei gleichseitig die genannten Nebeneinbrüche und überlagerte
P-Schwankungen vermieden werden. Dabei sollen
Siliciumkristalle in Stab- ader Kristallscheibenform von beliebiger Orientierung und beliebigem Durchmesser hergestellt
werden.
Aus einem Aufsatz von Tanenbaum und Mills in der Zeitschrift-"Jc
Electrochemo Soc.» K>8. (1961), Seiten 171 - 176, ist zu
entnehmen, daß Siliciumkristalle mit homogener n-Leitfähig— keit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen hergestellt
werden können. Dabei wird das im Silicium vorhandene natürli-
30
ehe Isotop Si unter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von ^Strahlung in das instabile Isotop Si übergeführt, welches unter Aussendung von Ä-Strahlung mit
ehe Isotop Si unter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von ^Strahlung in das instabile Isotop Si übergeführt, welches unter Aussendung von Ä-Strahlung mit
31
einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile P-Isotop
übergeht. Bei der sogenannten radiogenen.Dotierung des Siliciums nach der Reaktion
30Si (n,T) 31Si -^ -31p -
31 gilt unter der Voraussetzung, daß das J Si vollständig abge-
30
klungen und der Abbrand des ^ Si ■
klungen und der Abbrand des ^ Si ■
folgender einfacher Zusammenhang:
30
klungen und der Abbrand des Si vernachlässigbar klein ist,
klungen und der Abbrand des Si vernachlässigbar klein ist,
= 1 . 7 * 10 ~4
wobei Cp = Phosphorkonzentration in Atome/cm , (^ =thermi—
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scher Neutronenfluß in Neutronen/cm «sek. und t = Bestrahlungszeit
in Sekunden ist.
Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung von Siliciumeinkristallen
mit einem gewünschten radialen und/oder axialen Dotierungsprofil dadurch, daß das Siliciumausgangsmaterial
einer Bestrahlung mit Neutronen nach der Reaktion
• 30Si (n, V) -31Si >51P
ausgesetzt wird, wobei die durch die Bestrahlung erzeugte Phosphorkonzentration durch die Regelung des Neutronenflusses
so bemessen wird, daß sie größer ist, als die Akzeptorkonzentration im Ausgangsmaterial und ein gegenüber
dem Akzeptorprofil inverses Donatorprofil erzeugt wird.
Das durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung hergestellte Dotierungsprofil ist nach der Neutronenbestrahlung
invers, doh., aus dem vor der Bestrahlung bestehenden Akzeptorenprofil
entsteht nach der Bestrahlung ein inverses Donatorenprofil, wobei zunächst das weniger dotierte ursprüngliche,
mit Akzeptoren versehene Silicium über Kompensation zur η-Dotierung übergeführt wird und später das stärker
dotierte Material in η-leitendes Silicium übergeht. Voraussetzung ist, daß der p-dotierte Einkristall, der eine axiale
und radiale O-Verteilung aufweist, exakt vermessen wird.
An Hand zweier Ausführungsbeispiele und der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kurven soll im Folgenden das erfindungsgemäße
Verfahren noch näher erläutert werden.
Ein p-dotierter, versetzungsfreier Siliciumeinkristallstab mit einer Länge von'22 cm und einem Durchmesser von 34 mm
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weist das aus der folgenden Tabelle I in der zweiten Spalte aufgezeigte Konzentrationsprofil auf e Es werden
Akzeptorenkonzentrationen von 1s3o10 Atome/cm Si bis
392 ο 10 Atome/cm Si gemessen. Dieser Siliciumeinkristallstab
wird nun einer !"eutronenbestrahlung mit
thermischen Neutronen ausgesetzt. wobei der Neutronenfluß
so geregelt wird, daß insgesamt 556 . 10 Atome
Phosphor gebildet werden„ Dabei ergeben sich die in der
vierten Spalte der !Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationenj welche den aus der fünften Spalte zu entnehmenden
O -Werten entsprechen. Die Q-Verteilung erstreckt
sich längs des Stabes von 120 Ohm β cm bis 208
Ohm . cm» Bei einem homogenen Pluß von 8.10 Neutronen/
cm . see. betrug die Bestrahlungszeit im Ausführungsbeispiel
+ _ 5 c 6 . 1013, _ i It5^
τ_ 1710-4 810!^ "oi:>
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f abell el
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Abstand vom Keimkristall in cm |
p-leitend Atome Bor |
Erzeugte Phosphor menge |
Result.Dona- torenkonz. |
?» (0hm . cm |
2 | 1.3.1015 | 5.6.ΙΟ13 | 4.3.1013 | 120 |
4 | 1.7.1015 | Il | 3.9.1013 | 132 |
* 6 | 2.2.1013 | Il | 3.4.1013 | 152 |
8 | 2o4.1015 | Il | 3.2.1013 | 161 |
10 | 2o6c1013 | It | 3.O0IO13 | 172 |
* 12 | 2.7.1013 | H | 2.9.1013 | 178 |
14 | 2.7.1013 | Il | 2.9.1013 | 178 |
16 | 2.8.1013 | H | 2.8.1013 | 185 |
18 | 2o9o1015 | It | 2.7.1013 | 192 |
20 | 3.2.1013 | ti | 2.4.1013 | 208 |
Der dazugehörige Q -Verlauf ist aus der Pigur 1 ersichtlich.
Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate links der spezifische Widerstand in 0hm . cm und als Ordinate rechts
die mittlere Lebensdauer υ in /usec aufgetragen, während
die Abszisse auf die Stablänge Bezug nimmt« Die durchgezogene Kurve entspricht der gemessenen {?.,-Verteilung vor der Bestrahlung,
die gestrichelt gezeichnete Kurve der gemessenen ^1 -Verteilung nach der Bestrahlung. Wie aus der Tabelle I
und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das axiale P -Profil nunmehr invers.
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In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, im Anschluß an die Neutronenbestrahlung die Siliciumeinkristalle
einem Temperprozeß bei Temperaturen über 1000° C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr zu unterwerfen.
Dabei wurde festgestellt, daß nach einem Temperprozeß bei ungefähr 11000C und einer Zeitdauer von zwei
Stunden der bestrahlte Siliciumeinkristallstab einen relativ hohen Wert der mittleren Lebensdauermeßwerte ergab. Es wurden
/l?-Werte vor der Bestrahlung im Bereich von 800 /usec. und
nach der Bestrahlung im Bereich von 400 /usec. gefunden. In . der Figur entspricht die durchgezogene Kurve wieder den
Werten vor der Bestrahlung, die gestrichelte Kurve denen nach der Bestrahlung.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist ebenso anwendbar für die Herstellung inverser P -Profile in radialer
Richtung. Dabei wird ebenfalls von einem p-dotierten Siliciumeinkristallstab von einer Länge von 700 mm und einen Durchmesser
von 35 mm ausgegangen. Dieser Stab wird in 360 /u dicke
Kristallscheiben zerteilt und diese Scheiben v/erden dann einer neutronenbestrahlung ausgesetzt» Das auf einer Scheibe
gemessene Konzentrationsprofil ist sowohl aus der Fig. 2
(durchgezogene Kurve) als auch aus der folgenden Tabelle II, Spalte 1 bis 3 ersichtlich. Es werden Akzeptorkonzentrationen
von Scheibenrand zu Scheibenrand von 6.6.10 Atome/cm bis 1.5.10 Atome/cm gemessene Der Neutronenfluß wird so geregelt,
daß insgesamt 2.9»10 Atome Phosphor gebildet werden.
Dabei ergeben sich die in der 5o Spalte der Tabelle angegebenen
Donatorenkonzentrationen, welche den aus der 6. Spalte zu entnehmenden (3 -Werten entsprechen. Die P -Verteilung
nach der Bestrahlung erstreckt sich längs der .. Siliciumeinkristallscheibe von 20 bis 36 0hm . cm. /
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II
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Abstand von der Mitte in mm |
?p (Ohm.cm) |
p-leitend Atome Bor |
erzeugte Phosphor menge t |
Resuit.Dona tor enkonz. |
(Ohm . cm) |
16 | 160 | 8o5o1015 | 2o9c1014 | 2.05.ΙΟ14 | 24 |
H | 140 | 9c6o1013 | Il | I.95.IO14 | 25.β |
12 | 128 | .I0O8.IO14 | Il | 1.82.1014 | 27.5 |
10 | 119 | I0I8.IO14" | It | I.72.IO14 | 29.0 |
8 | 111 | 1.22.1014 | II | I.68.IO14 | 30 |
6 | 110 | 1.23o1014 | Il | I.67.IO14 | 30 |
4 | ' 105 | I.3.IO14 | Il | 1.6 .1O14 | 31 |
2 * | 96 | 1.4.1014 | Il | 1.5 .1O14 | 33.5 |
0 | 90 | 1.5.1014 | It | 1.4 .1O14 | 36 |
2 | 94 | I.45.IO14 | It | 1.45.10·4 | 34.5 |
4 | 101 | 1.35.1014 | ti | 1.55.1014 | 33 . |
6 | 110 | 1.23.1014 | It | 1.67.1O14 | 30 |
8 | 121 | 1.12.1014 | Il | 1.78.1014 | 28 |
'10 | 136 | 1 .1O14 | Il | 1.9 .1O14 | 26 |
'.12 | 160 | 8o5o1015 | II | 2.05.1014 | 24 |
114 | 190 | 7o2c1015 | Il | 2.I8.1014 | 23 |
16 | 205 | 6o6o1013 | M | 2.24.ΙΟ14 | 20 |
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Der dazugehörige & -Verlauf ist aus der Fig. 2 ersichtliche
Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate der spez. Widerstand in Ohm 0 cm und als Abszisse der
Abstand von der Scheibenmitte in mm aufgetragen. Die strichpunktierte Linie entspricht der Scheibenmitte, die
durchgezogene Kurve der gemessenen P -Verteilung vor der Bestrahlung und die'gestrichelt gezeichnete Kurve
der gemessenen ^-Verteilung nach der Bestrahlung. Wie
aus der Tabelle II und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das radiale P -Profil nunmehr invers.
Als Strahlungsquelle wird ein Kernreaktor vom Typ Leichtwasserreaktor
oder Schwerwasserreaktor oder graphitmoderierter Reaktor in bekannter Weise verwendet.
4 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
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Claims (1)
- Patentansprüche1. Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren radialen und/oder axialen Dotierungsprofil, bei dem von einem p-dotierten Siliciumeinkristall ausgegangen wird, dadurch gekenn"ze ichne t, daß das Siliciumausgangsmaterial einer Bestrahlung mit Neutronen nach der Reaktion30Si ( n, ir ) 31Sl ν 31P- ausgesetzt wird, wobei die durch die Bestrahlung erzeugte Phosphorkonzentration durch die Regelung des Neutronenflusses so bemessen wird, daß sie größer ist, als die Akzeptorkonzentration im Ausgangsmaterial und ein gegenüber dem Akzeptorprofil inverses Donatorprofil erzeugt wird ο2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines n-dotierten Siliciumeinkristallstabes mit einem spezifischen Widerstand von cae 120 Ohm o cm (Keimkristall) bis ca. 208 Ohm.cm über die Stablänge ansteigend von einem p-leitenden Siliciumstab mit einer Akzeptorenkonzentration von 1,3.10 Atorne/cm bis 3j2o10 Atome/cm ausgegangen wird und der ETeutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5,6.10 Atome Phosphor gebildet werden.VPA 9/110/4007 .. - 1 0 -509827/0749Verfahren nach. Anspruch 1, 'dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer η-dotierten Siliciumeinkristallscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 20 bis 36 Ohm . cm von einer p-leitenden Siliciumkristallscheibe mit einer Akzeptorenkonzentration von 6c6.10 bis-1.5.10 Atome/cm ausgegangen wird und der Meutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 2.9.10 Atome Phosphor gebildet werden.4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch' gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Neutronenbestrahlung die Siliciumkristalle einem Temperprozeß bei Temperaturen größer 1000 C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr ausgesetzt werden,,5Ü9827/0749Le e rs e!te
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DE (1) | DE2364015C3 (de) |
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1974
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